Chemometrics in NIR Hyperspectral Imaging: Theory and Applications in the Agricultural Crops and Products Sector

Peer reviewe

Non-destructive classification and quality evaluation of proso millet cultivars using NIR hyperspectral imaging with machine learning

Millet is a small-seeded cereal crop with big potential and remarkable characteristics such as high drought resistance, short growing time, low water footprint, and the ability to grow in acidic soil. There is a need to develop nondestructive methods for differentiation and evaluation of the quality attributes of different of proso millet cultivars grown in the U.S. Current methods of cultivar classification are either subjective or destructive, time consuming, not allowing for the whole population to be tested, and requiring trained operators and special equipment. In this study, the feasibility of using near-infrared (NIR) hyperspectral imaging (900-1700 nm) to predict the quality attributes of proso millet (Panicum miliaceum L.) seeds as well to classify its different cultivars was demonstrated. Ten different cultivars of proso millet variety, which are the most popular in the US, investigated in this study included Cerise, Cope, Earlybird, Huntsman, Minco, Plateau, Rise, Snowbird, Sunrise, and Sunup. To reduce the large dimensionality of the hyperspectral imaging, principal component analysis (PCA) was applied, and the first two principal components were used as imaging features for building the classification models. The Classification performance showed a test accuracy rates as high as 99% for classifying the different cultivars of proso millet using gradient tree boosting ensemble machine learning algorithm. Moreover, using the partial least squares regression (PLSR) the coefficient of determination (R2) for quality prediction of proso millet seeds were 0.87, 0.80, 0.83, 0.93, and 0.92 for moisture content, crude protein, crude fat, ash, and carbohydrate, respectively. The overall results indicate that NIR hyperspectral imaging could be used to non-destructively classify and predict the quality of proso millet seeds

Sensors in agriculture and forestry

Agriculture and Forestry are two broad and promising areas demanding technological solutions with the aim of increasing production or accurate inventories for sustainability while the environmental impact is minimized by reducing the application of agro-chemicals and increasing the use of environmental friendly agronomical practices. In addition, the immediate consequence of this “trend” is the reduction of production costs. Sensors-based technologies provide appropriate tools to achieve the above mentioned goals. The explosive technological advances and development in recent years enormously facilitates the attainment of these objectives removing many barriers for their implementation, including the reservations expressed by the farmers themselves. Precision Agriculture is an emerging area where sensor-based technologies play an important role.RHEA project [42], which is funded by the European Union’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under Grant Agreement NO.245986, which has been the platform for the two international conferences on Robotics and associated High-technologies and Equipment mentioned above.Peer Reviewe

Rapid prediction of single green coffee bean moisture and lipid content by hyperspectral imaging

Hyperspectral imaging (1000–2500 nm) was used for rapid prediction of moisture and total lipid content in intact green coffee beans on a single bean basis. Arabica and Robusta samples from several growing locations were scanned using a “push-broom” system. Hypercubes were segmented to select single beans, and average spectra were measured for each bean. Partial Least Squares regression was used to build quantitative prediction models on single beans (n = 320–350). The models exhibited good performance and acceptable prediction errors of ∼0.28% for moisture and ∼0.89% for lipids. This study represents the first time that HSI-based quantitative prediction models have been developed for coffee, and specifically green coffee beans. In addition, this is the first attempt to build such models using single intact coffee beans. The composition variability between beans was studied, and fat and moisture distribution were visualized within individual coffee beans. This rapid, non-destructive approach could have important applications for research laboratories, breeding programmes, and for rapid screening for industry

Multivariate analysis for quality control of agrifood materials using near infrared spectroscopy

Seguridad y calidad alimentaria son uno de los conceptos más demandados actualmente en la industria agroalimentaria. La mayoría de análisis de control de los productos alimentarios se lleva a cabo mediante métodos tradicionales (vía húmeda). Los principales problemas relacionados con este tipo de análisis son el consumo de tiempo para la obtención de los resultados de una sola muestra, el coste del análisis, así como la limitación en cuanto a su implantación en la línea de producción o en el campo, entre otros. Paralelamente al desarrollo e innovación tecnológica, numerosos métodos han sido implementados para la determinación, evaluación y control de la calidad de los productos agroalimentarios en las últimas décadas. Estos métodos están basados en la detección de varias propiedades tanto físicas como químicas correlacionadas con ciertos factores cualitativos de los productos. Uno de los métodos más difundido y aún en desarrollo debido a su gran aplicabilidad, es la espectroscopía de infrarrojo cercano (tecnología NIRS, Near Infrared Spectroscopy). Han pasado más de 20 años desde su primera introducción como potente herramienta hecha por Karl Norris en el análisis de la composición de los cereales. El planteamiento de esta tesis nace de la necesidad, cada vez mayor, del control de los parámetros de calidad de los productos agroalimentarios de manera rápida y precisa. La categorización del trigo en función de su calidad o el valor añadido que adquiere la soja según el porcentaje de proteína o grasa presente en una determinada variedad ha llevado al estudio de la aplicación de la espectroscopía de infrarrojo cercano en dichos productos. El objetivo general de la investigación ha consistido en la aplicación de la tecnología NIRS para la determinación de parámetros de calidad en muestras de...Food safety and quality are currently the most popular concepts in the food industry. Usually, most control analyses of food products are carried out by conventional methods (wet chemistry). However, some of the main negative issues of these methods are: they are time consuming in order to obtain the results of a single sample, the raising price and the limitation on its implementation in the production line or in the field, among others. At the same time to the technological innovation and development, during the last decades many methods have been implemented for the identification, assessment and quality control of food products. These methods are based on the detection of various physical and chemical properties correlated with certain product quality factors. One of the most widespread due to its wide applicability is the near-infrared spectroscopy (NIRS technology, Near Infrared Spectroscopy). It has been over 20 years since its first introduction as a powerful tool made by Karl Norris in the analysis of the composition of the grains. The approach of this thesis arises from the increasing need of fast and accurate analyses of quality parameters control on food products. The categorization of wheat in terms of quality and the added value acquired by the percentage of soy protein or fat in a particular variety has led to the study of the application of near infrared spectroscopy in these products. The general objective of the research has been the application of NIRS technology for the determination of quality parameters in wheat and soybean samples. As a result, this study has led to the development of four chapters: - "Development of robust soybean NIR Calibration Models with temperature compensation and high variability in the data basis." This chapter was focused on the development of robust calibrations by adding in the group of samples instrumental and environmental variability..

Application of hyperspectral imaging combined with chemometrics for the non-destructive evaluation of the quality of fruit in postharvest

Tesis por compendio[ES] El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar la técnica de imagen hiperespectral en el rango visible e infrarrojo cercano, en combinación con técnicas quimiométricas para la evaluación de la calidad de la fruta en poscosecha de manera eficaz y sostenible. Con este fin, se presentan diferentes estudios en los que se evalúa la calidad de algunas frutas que por su valor económico, estratégico o social, son de especial importancia en la Comunidad Valenciana como son el caqui 'Rojo Brillante', la granada 'Mollar de Elche', el níspero 'Algerie' o diferentes cultivares de nectarina. En primer lugar se llevó a cabo la monitorización de la calidad poscosecha de nectarinas 'Big Top' y 'Magique' usando imagen hiperespectral en reflectancia y transmitancia. Al mismo tiempo se evaluó la transmitancia para la detección de huesos abiertos. Se llevó a cabo también un estudio para distinguir los cultivares 'Big Top' y "Diamond Ray", los cuales poseen un aspecto muy similar pero sabor diferente. En cuanto al caqui 'Rojo Brillante', la imagen hiperespectral fue estudiada por una parte para monitorear su madurez, y por otra parte para evaluar la astringencia de esta fruta, que debe ser completamente eliminada antes de su comercialización. Las propiedades físico-químicas de la granada 'Mollar de Elche' fueron evaluadas usando imagen de color e hiperespectral durante su madurez usando la información de la fruta intacta y de los arilos. Finalmente, esta técnica se usó para caracterizar e identificar los defectos internos y externos del níspero 'Algerie'. En la predicción de los índices de calidad IQI y RPI usando imagen en reflectancia y transmitancia se obtuvieron valores de R2 alrededor de 0,90 y en la discriminación por firmeza, una precisión entorno al 95 % usando longitudes de onda seleccionadas. En cuanto a la detección de huesos abiertos, el uso de la imagen hiperespectral en transmitancia obtuvo un 93,5 % de clasificación correcta de frutas con hueso normal y 100 % con hueso abierto usando modelos PLS-DA y 7 longitudes de onda. Los resultados obtenidos en la clasificación de los cultivares 'Big Top' y 'Diamond Ray' mostraron una fiabilidad superior al 96,0 % mediante el uso de modelos PLS-DA y 14 longitudes de onda seleccionadas, superando a la imagen de color (56,9 %) y a un panel entrenado (54,5 %). Con respecto al caqui, los resultados obtenidos indicaron que es posible distinguir entre tres estados de madurez con una precisión del 96,0 % usando modelos QDA y se predijo su firmeza obteniendo un valor de R2 de 0,80 usando PLS-R. En cuanto a la astringencia, se llevaron a cabo dos estudios similares en los que en el primero se discriminó la fruta de acuerdo al tiempo de tratamiento con altas concentraciones de CO2 con una precisión entorno al 95,0 % usando QDA. En el segundo se discriminó la fruta de acuerdo a un valor de contenido en taninos (0,04 %) y se determinó qué área de la fruta era mejor para realizar esta discriminación. Así se obtuvo una precisión del 86,9 % usando la zona media y 23 longitudes de onda. Los resultados obtenidos para la granada indicaron que la imagen de color e hiperespectral poseen una precisión similar en la predicción de las propiedades fisicoquímicas usando PLS-R y la información de la fruta intacta. Sin embargo, cuando se usó la información de los arilos, la imagen hiperespectral fue más precisa. En cuanto a la discriminación del estado de madurez usando PLS-DA, la imagen hiperespectral ofreció mayor precisión, 95,0 %, usando la información de la fruta intacta y del 100 % usando la de los arilos. Finalmente, los resultados obtenidos para el níspero indicaron que la imagen hiperespectral junto con el método de clasificación XGBOOST pudo discriminar entre muestras con y sin defectos con una precisión del 97,5 % y entre muestras sin defectos o con defectos internos o externos con una precisión del 96,7 %. Además fue posible distinguir entre los dife[CA] L'objectiu de la present tesi doctoral se centra en avaluar la capacitat de la imatge hiperespectral en el rang visible i infraroig pròxim, en combinació amb mètodes quimiomètrics, per a l'avaluació de la qualitat de la fruita en post collita de manera eficaç i sostenible. A aquest efecte, es presenten diferents estudis en els quals s'avalua la qualitat d'algunes fruites que pel seu valor econòmic, estratègic o social, són d'especial importància a la Comunitat Valenciana com són el caqui 'Rojo Brillante', la magrana 'Mollar de Elche', el nispro 'Algerie' o diferents cultivares de nectarina. En primer lloc es va dur a terme la monitorització de la qualitat post collita de nectarines 'Big Top' i 'Magique' per mitjà d'imatge hiperespectral en reflectància i trasnmitancia. Així mateix es va avaluar la transmitància per a la detecció d'ossos oberts. Es va dur a terme també un estudi per distingir els cultivares 'Big Top' i 'Diamond Ray', els quals posseeixen un aspecte molt semblant però sabor diferent. Pel que fa al caqui 'Rojo Brillante', la imatge hiperespectral va ser estudiada d'una banda per a monitoritzar la seua maduresa, i per un altre costat per avaluar l'astringència, que ha de ser completament eliminada abans de la seua comercialització. Les propietats fisicoquímiques de la magrana 'Mollar de Elche' van ser avaluades per la imatge de color i hiperespectral durant la seua maduresa usant la informació de la fruita intacta i els arils. Finalment, aquesta tècnica es va fer servir per caracteritzar i identificar els defectes interns i externs del nispro 'Algerie'. En la predicció dels índexs de qualitat IQI i RPI usant imatge en reflectància com en trasnmitancia es van obtindre valors de R2 al voltant de 0,90 i en la discriminació per fermesa una precisió entorn del 95,0 % utilitzant longituds d'ona seleccionades. Pel que fa a la detecció d'ossos oberts, l'ús de la imatge hiperespectral en transmitància va obtindre un 93,5 % classificació correcta de fruites amb os normal i 100 % amb os obert usant models PLS-DA i 7 longituds d'ona. Els resultats obtinguts en la classificació dels cultivares 'Big Top' i 'Diamond Ray' van mostrar una fiabilitat superior al 96,0 % per mitjà de l'ús de models PLS-DA i 14 longituds d'ona, superant a la imatge de color (56,9 %) i a un panell sensorial entrenat (54,5 %). Quant al caqui, els resultats obtinguts van indicar que és possible distingir entre tres estats de maduresa amb una precisió del 96,0 % usant models QDA i es va predir la seua fermesa obtenint un valor de R2 de 0,80 usant PLS-R. Pel que fa a l'astringència, es van dur a terme dos estudis similars en què el primer es va discriminar la fruita d'acord al temps de tractament amb altes concentracions de CO2 amb una precisió al voltant del 95,0 % usant QDA. En el segon, es va discriminar la fruita d'acord a un valor de contingut en tanins (0,04 %) i es va determinar quina part de la fruita era millor per a realitzar aquesta discriminació. Així es va obtindre una precisió del 86,9 % usant la zona mitjana i 23 longituds d'ona. Els resultats obtinguts per la magrana van indicar que la imatge de color i hiperespectral posseïxen una precisió semblant a la predicció de les propietats fisicoquímiques usant PLS-R i la informació de la fruita intacta. No obstant això, quan es va usar la informació dels arils, la imatge hiperespectral va ser més precisa. Quant a la discriminació de l'estat de maduresa usant PLS-DA, la imatge hiperespectral va oferir major precisió (95,0 %) usant la informació de la fruita intacta i del 100 % usant la dels arils. Finalment, els resultats obtinguts pel nispro indiquen que la imatge hiperespectral juntament amb el mètode de classificació XGBOOST va poder discriminar entre mostres amb i sense defectes amb una precisió del 97,5 % i entre mostres sense defectes o amb defectes interns o externs amb una precisió del 96,7 %. A més, va ser possible distingir entre[EN] The objective of this doctoral thesis is to evaluate the potential of the hyperspectral imaging in the visible and near infrared range in combination with chemometrics for the assessment of the postharvest quality of fruit in a non-destructive, efficient and sustainable manner. To this end, different studies are presented in which the quality of some fruits is evaluated. Due to their economic, strategic or social value, the selected fruits are of special importance in the Valencian Community, such as Persimmon 'Rojo Brillante', the pomegranate 'Mollar de Elche', the loquat 'Algerie' or different nectarine cultivars. First, the quality monitoring of 'Big Top' and 'Magique' nectarines was carried out using reflectance and transmittance images. At the same time, transmittance was evaluated for the detection of split pit. In addition, a classification was performed to distinguish the 'Big Top' and 'Diamond Ray' cultivars, which look very similar but have different flavour. Whereas that for the 'Rojo Brillante' persimmon, the hyperspectral imaging was studied on the one hand to monitor its maturity, and on the other hand to evaluate the astringency of this fruit, which must be completely eliminated before its commercialization. The physicochemical properties of the 'Mollar de Elche' pomegranate were evaluated by means of hyperspectral and colour imaging during its maturity using the information from the intact fruit and arils. Finally, this technique was used to characterise and identify the internal and external defects of the 'Algerie' loquat. In the prediction of the IQI and RPI quality indexes using reflectance and transmittance images, R2 values around 0.90 were obtained and in the discrimination according to firmness, accuracy around 95.0 % using selected wavelengths was obtained. Regarding the split pit detection, the use of the hyperspectral image in transmittance mode obtained a 93.5 % of fruits with normal bone correctly classified and 100% with split pit using PLS-DA models and 7 wavelengths. The results obtained in the classification of 'Big Top' and 'Diamond Ray' fruits show accuracy higher than 96.0 % by using PLS-DA models and 14 selected wavelengths, higher than the obtained with colour image (56.9 %) and a trained panel (54.5 %). According to persimmon, the results obtained indicated that it is possible to distinguish between three states of maturity with an accuracy of 96.0 % using QDA models and its firmness was predicted obtaining a R2 value of 0.80 using PLS-R. Regarding astringency, two similar studies were carried out. In the first study, the fruit was classified according to the time of treatment with high concentrations of CO2 with a precision of around 95.0 % using QDA. In the second, the fruit was discriminated according to a threshold value of soluble tannins (0.04 %) and was determined what fruit area was better to perform this discrimination. Thus, an accuracy of 86.9 % was obtained using the middle area and 23 wavelengths. The results obtained for the pomegranate indicated that the use of colour and hyperspectral images have a similar precision in the prediction of physicochemical properties using PLS-R and the intact fruit information. However, when the information from the arils was used, the hyperspectral image was more accurate. Regarding the discrimination by the state of maturity using PLS-DA, the hyperspectral image offered greater precision, of 95.0 % using the information from the intact fruit and 100 % using that from the arils. Finally, the results obtained for the 'Algerie' loquat indicated that the hyperspectral image with the XGBOOST classification method could discriminate between sound samples and samples with defects with accuracy of 97.5 % and between sound samples or samples with internal or external defects with an accuracy of 96.7 %. It was also possible to distinguish between the different defects with an accuracy of 95.9 %.Munera Picazo, SM. (2019). Application of hyperspectral imaging combined with chemometrics for the non-destructive evaluation of the quality of fruit in postharvest [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125954TESISCompendi